Pasif Kızılötesi Sensör
(Passive InfraRed - PIR)

Hareket algılayıcı sensör olarak adlandırılan PIR sensörler, bir insanın, hayvanın veya bir alevin ısısını algılayabilme kabiliyetine sahiptirler. PIR sensör çeşitleri nelerdir, uygulama alanları nerelerdir? Ayrıntılar yazımızda.

A- A+

08.01.2019 tarihli yazı 18923 kez okunmuştur.

Uzak bir cihazla kablosuz bağlantı kurulmak istendiğinde optik radyasyonlar, radyo dalgaları veya akustik dalgalar (su altı uygulamaları için) kullanırız. Bu üç tür kablosuz iletişim, temelde frekansları bakımından farklılık gösterir. Mikro dalgalara ve milimetre dalgalarına kadar uzanan LF, HF, VHF, UHF ve benzeri gibi frekans bantlarından başlayan tüm frekanslara radyo dalgaları denir. Akustik dalgalar, frekans spektrumunun ultrasonik bölümünü kullanır. Optik radyasyonlar, spektrumun görünür ve kızılötesi bölümünü kullanır.

Kızılötesi radyasyon, elektromanyetik spektrumun görünür ışık dalga boylarından daha uzun, ancak mikrodalgalardan daha küçük olan dalga boylarına sahip kısmıdır, yani 0.75 µm ile 1000 µm arasındaki bölge kızılötesi bölgedir. Kızılötesi dalgalar insan gözlerine görünmez. 0.75µm ile 3 µm dalga boyu bölgesine yakın kızılötesi, 3 µm ile 6 µm arası bölge orta kızılötesi ve 6 µm'den yüksek bölge uzak kızılötesi olarak adlandırılır.

►İlginizi Çekebilir: Doğru Algılayıcı Seçiyor Muyuz?

Kızılötesi radyasyonlar çeşitli elektronik cihazlarda ve sensörlerde yaygın olarak kullanılmaktadır. TV, gece görüş ekipmanları gibi karmaşık cihazlar farklı uygulamalar için kızılötesi dalgalar kullanır.

IR Sensörlerin Arkasındaki Fizik

IR spektrumunun çeşitli bölgelerinde çalışan farklı IR sensör tipleri üç fizik yasası ile açıklanır.

1.Planck'ın Radyasyon Kanunu

0°C'ye eşit olmayan bir sıcaklıktaki her nesne radyasyon yayar. Kızılötesi radyant enerji, bir nesnenin sıcaklığı ve yüzey durumu ile belirlenir. İnsanın gözleri kızılötesi enerjideki farklılıkları tespit edemez, çünkü birincil olarak 400 ile 700 nm arasındaki görünür ışık enerjisine duyarlıdırlar. Gözlerimiz kızılötesi enerjiye duyarlı değildir (3,0 - 14 mm).

2.Stephan Boltzmann Yasası

Tüm dalga boylarında siyah bir cisim tarafından yayılan toplam enerji, mutlak sıcaklık ile ilgilidir.

W_b = s T ⁴

s: sabit = 5.67x10^-8 m^-2 K^-4( W_b: toplam enerji tüketimi, T: Nesnenin sıcaklığı )

3. Wein Yer Değiştirme Kanunu

Wein kanunu, farklı sıcaklıktaki nesnelerin farklı dalga boylarında zirve yapan spektrumlar yaydığını söyler. Belirli bir sıcaklık için maksimum spektral ışıma yayılımı için dalga boyu sağlar.

Siyah cismin gerçek sıcaklığı ile tepe noktadaki spektral eksiliği veya baskın dalga boyu arasındaki ilişki bu yasa ile tanımlanmıştır.
Dünya siyah nesnelerle değil; bunun yerine, kaya, su vb. gibi seçici yayılan cisimlerden oluşur ve ikisi arasındaki ilişki salınımla verilir.

Emisyon (e), nesnenin rengine, yüzey pürüzlülüğüne, nem içeriğine, sıkıştırma derecesine, görüş alanına, görüş açısına ve dalga boyuna bağlıdır.

PIR Sensörü Nedir?

Kızılötesi sensörler; aktif kızılötesi sensörler ve pasif kızılötesi sensörler olarak sınıflandırılabilir. Her ikisi de aynı kızılötesi ışınları ve aynı temel fiziği kullanır. Bununla birlikte, ikisi arasındaki tek fark, aktif kızılötesi sensörlerin, kızılötesi dedektöre ek olarak kızılötesi kaynağı (aktif eleman) kullanmasıdır.

Aktif kızılötesi sensörler, bir ışık yayan diyottan (LED) veya bir lazer diyottan enerji ileterek çalışır. Görüntüleme özelliği olmayan bir aktif IR dedektörü için bir LED kullanılırken, görüntüleme özelliği olan aktif IR dedektörü için bir lazer diyot kullanılır. Bunların her ikisinde de, LED veya lazer diyot hedefi aydınlatır ve yansıyan enerji bir piksel veya bir piksel dizisinden oluşan bir dedektöre odaklanır. Fotoelektrik hücreler, fotodiyot veya fototransistörler genellikle dedektör olarak kullanılır.

Aktif kızılötesi sensörlerin aksine, pasif kızılötesi sensörler kızılötesi radyasyon kaynağı içermez, sadece IR radyasyonları algılar. Tamamen daha önce açıklanan üç geçerli yasaya dayanırlar.

Pasif bir kızılötesi sistem, görüş alanındaki nesneler tarafından yayılan enerjiyi algılar ve istenen bilgileri çıkarmak için sinyal işleme algoritmaları kullanabilir. Tespit amacıyla kendi enerjisini yaymaz.

Normal vücut sıcaklığındaki insanlar, kızılötesi bölgede 10 µm civarında bir dalga boyunda oldukça güçlü bir yayılım gösterir. Pasif kızılötesi sensörler kızılötesi sinyalini akıma veya gerilime dönüştürür. Buna göre; varlığı, doluluk oranını ve sayımı saptamak için kullanılırlar.

Öncelikle izinsiz giriş tespitinde kullanılan pasif kızılötesi sensör, izinsiz giriş yapan kişinin vücudu tarafından yayılan ısıyı tespit eden özel amaçlı bir radyometre olarak kullanılır. Başka hiçbir şeye cevap vermese bile, belirli bir alanda yüksek algılama olasılığı sunar. Aktif kızılötesi sensörler, ultrasonik dedektörler ve benzerleriyle durumun ne olduğunu tespit etmek zordur.

Pasif kızılötesi sensörler, başlangıçta askeri ve bilimsel uygulamalar için kullanılıyordu. Günümüzde ise otomatik ışık kontrolü, güvenlik, insanların yürüyüş alanları, koridorlar patikalar, garaj yolları, bahçe alanları ve otoparklar gibi sürekli ışık gerektirmeyen ortamlarda maliyet tasarrufu için kullanılmaktalar.

PIR Sensörü Nasıl Çalışır?

PIR sensörü, kızılötesi radyasyona maruz kaldığında yüzey yükü üreten seramik malzemeden yapılmıştır. Radyasyon miktarı arttıkça, oluşan yüzey yükü artar. Bu sinyali tamponlamak için bir FET kullanılır. Sensör geniş bir radyasyon aralığına duyarlı olduğundan, sensöre düşen kızılötesi ışınlarını 8µm-14µm aralığına sınırlayan bir filtre kullanılır. Böylece bir IR sensörünün çıkışı kızılötesi radyasyonun bir fonksiyonudur. Ancak çıktı; titreşimden, radyo parazitinden, güneş ışığından vb. etkilendiğinden çift algılama elemanları kullanılır. Her iki sensör de, her ikisi için ortak olan herhangi bir uyarımın iptal edilebileceği şekilde faz dışı olarak bağlanır.

►İlginizi Çekebilir: Tıbbi Uygulamalar İçin Sensör Seçimi Nasıl Yapılır?

Bu sensörlerin görüş alanı, gördüğü veya kızılötesi radyasyondaki değişikliklerin algılandığı veya algılanabileceği alandır. Tipik olarak, menzili ve görüş alanını arttırmak için, görüş alanı Fresnel lens yardımı ile bölgelerin sayısına hem dikey hem de yatay olarak ayrılmıştır. Fresnel lens görüş alanındaki ışını dedektör üzerine odaklamak için kullanılır. Fresnel lens, optik özelliklerini koruyan, ancak daha ince ve daha az emilme kayıplarına sahip düz bir lens oluşturmak için kendi üzerine çökmüş bir plano (bir tarafı düz bir tarafı dışbükey) mercektir.

►İlginizi Çekebilir: ASELSAN'dan Stratejik Termal Kamera: GÖZ-Q

PIR sensörünün tipik yapısı aşağıda gösterilmiştir.

►İlginizi Çekebilir: Akım ve Gerilim Sensörleri

Çok elementli Fresnel Lens, kızılötesi bir kaynak tarafından yayılan kızıl ötesi ışınımı PIR dedektörüne odaklar. Işık, PIR sensörünün üzerine düştükten sonra yükselen, işlenen ve sırayla bir röleye enerji veren, değişen miktarlarda kızılötesi radyasyona karşılık gelen bir elektrik sinyali üretilir.

Tüm PIR sensörleri kızılötesi radyasyondaki değişiklikleri tespit eder. İnsanlar, evcil hayvanlar, araçlar vb. dahil olmak üzere vücutlar tarafından yayılan ısı biçimindeki kızılötesi radyasyonlar vücut ne kadar büyükse, o kadar büyüktür ve PIR sensörünün bunları algılaması kolaylaşır.

Uygulamaların çoğunda, pasif kızılötesi sensörler ortamdaki değişikliği arar. Sensörler, mutlak seviyelerden ziyade kızılötesi enerjideki değişikliklere duyarlıdır. Sensör ilk olarak arka plan koşullarıyla dengeyi kurar. Eğer belirlenen denge bazı izinsiz girişlerden veya başka bir mekanizma nedeniyle bozulursa, bu değişiklik olarak algılanır. Bu değişiklik PIR sensörlerin çalışması için temeldir.

Ortam birkaç bölgeye ayrılır, bölgelerin sayısı oluşturulur. Bölgede yürürken bir kişi bir bölgede belirecek, sonra kaybolacak ve bir sonraki bölgede tekrar ortaya çıkacaktır. Bunu yaparak referans denge koşullarını değiştirir. Üretilen sinyal, beliren kişi ile arka plan arasındaki sıcaklık farkıyla orantılıdır.

►İlginizi Çekebilir: Sağlığımızı İzleyen Tırnak Sensörü Geliştirildi

Bir kişi belirli bir bölgeye girdiğinde, o bölgedeki kızılötesi seviyesi artar. Kızılötesi enerji seviyesindeki artış tespit edilir. İkili elemanlar birbiri ardına çalışır; sonuçta ortaya çıkan çıktı, pozitif sinyal ve bunu takiben negatif sinyaldir. Bu sayede bir kişinin hareketi, algılayıcının görüş alanında tespit edilir. Ancak, kişi bir bölge içinde hareket ederse, değişiklikleri tespit etmek mümkün değildir.

PIR Sensörler Nasıl Sınıflandırılır?

Pasif kızılötesi sensörler, öncelikle termal ve kuantum olarak iki sınıfa ayrılır. Otomatik aydınlatma sistemleri için insan / evcil hayvan tespiti için kullanılan PIR sensörlerde, izinsiz giriş tespiti vb. termal tip pyroelektrik tabanlı PIR sensörleri kullanılır. Alt çeşitleriyle beraber PIR dedektör tipleri aşağıda açıklanmıştır.

1.Termal PIR'ler

Termal tipin dalga boyu bağımlılığı yoktur. Kızılötesi enerjiyi ısı olarak kullanırlar ve ışığa duyarlılıkları dalga boyundan bağımsızdır. Termal dedektörler soğutma gerektirmez ancak yanıt süresinin ve algılama süresinin yavaş olması gibi dezavantajları vardır. Termal tip IR dedektör tipleri aşağıda verilmiştir.

a)Termokupl-Termopil

Termokupl, termoelektrik etkilerden biri olan Seebeck efektini kullanır ve sıcaklığı elektrik sinyaline dönüştüren bir dedektördür. Birbirine benzemeyen metallerin birleşme noktası, sıcaklıkla doğrudan orantılı olan bir gerilim potansiyeli oluşturur. Bu birleşme noktası hassasiyeti arttırmak için çoklu halde yapılabilir. Bu yapıya termopil denir. Özetle, bir termopil seri bağlanmış termokuplların birleşiminden başka bir şey değildir.

►İlginizi Çekebilir: Termoelektrik Etki Nedir?

Bu dedektörler nispeten yavaş bir tepki süresine sahiptir, tüm dalga boylarına yanıt veren DC kararlılığının avantajlarını sunar.

b)Bolometre

Bir bolometre basit bir termal veya toplam güç dedektörüdür. Olayda, kızılötesi radyasyon dedektörle etkileşime geçtiğinde bir bolometre direnci değiştirir. Bu nedenle, bolometreler için kullanılan algılama malzemesi çok yüksek sıcaklık dayanım katsayısına sahip olmalıdır; süper iletken bir bolometrede sıcaklığı algılamak için ideal bir adaydır. Tipik olarak, termal olarak hassas yarı iletken bir metal oksit malzemeden yapılır. Yüksek sıcaklık dayanım katsayısına sahiptir.

Hassas bir termometre ve yüksek kesitli bir emici olarak iki ana unsurdan oluşur. Emici, zayıf bir termal bağlantı ile bir ısı emiciye bağlanır. Gelen enerji emicinin üzerine düşer. Gelen enerji emici içindeki ısıya dönüştürülür. Emicinin sıcaklığı, gelen enerjinin gücündeki değişikliklere bağlı olarak değişir. Bolometre sıcaklıktaki bu değişimi ölçerek çalışır.

►İlginizi Çekebilir: Termoelektrik Malzeme Artık 5 Kat Daha Güçlü

Pyroelektrik malzemeler, kendiliğinden polarizasyon gösteren lityum tantalat gibi kristaller veya sıcaklığa bağlı konsantre bir elektrik yüküdür. Kızılötesi radyasyon dedektör yüzeyine çarptığından, sıcaklıktaki değişiklik bir akımın akmasına neden olur. Bu, çıkıştaki gerilim değişimi ile yansıtılan kutuplaşma durumunun değişmesine neden olur.

Bu dedektör geniş bir dalga boyu aralığına hassasiyet ve tepki gösterir. Dedektörün soğutulmasını gerektirmez.

Termopiller olay radyasyonlarıyla orantılı olsa da, pyroelektrik detektörler olay radyasyonunun değişim hızı ile orantılıdır. Böylece, pyroelektrik dedektörler AC bağlı cihazlardır. Ayrıca, pyroelektrik detektörler çok yüksek empedansa sahiptir ve bu nedenle bir tampon gerektirir.

2.Kuantum tipi PIR'ler

Kuantum tipi, ışığa duyarlılığı dalga boyuna bağlı olmasına rağmen daha yüksek algılama performansı ve daha hızlı tepki hızı sunar. Kuantum tipi dedektörler, doğru ölçümler için soğutma gerektirir (yakın IR bölgesinde olanlar hariç).

a)İçsel tip-Foto iletken

Foto iletken tip IR dedektörleri foto iletken etkiden yararlanır. Bu etki, IR radyasyonu tespit elemanlarının üzerine düştüğünde dirençte değişime neden olur. PbS, PbSe, MCT örnek verilebilir.

PbS'nin bant aralığı, PbSe negatif sıcaklık katsayısına sahiptir ve bu nedenle, spektral tepki özellikleri soğutulduğunda uzun dalga boyu bölgesine geçer. Bununla birlikte, HgCdTe'nin bant aralığı bileşime bağlıdır ve bu nedenle, spektral tepki özellikleri gereksinimlere uyacak şekilde uyarlanabilir.

b)Fotovoltaik

Foto iletken tipi IR dedektörleri fotovoltaik etkiden yararlanır. Olay IR ışığı bu dedektörlerin gerilim çıkışında artışa neden olur. InGaAs PIN fotodiyotları, InAs, InSb örnek verilebilir.

c)Dışsal tip

Spektrum tepkisine ve dedektörün birim alanı için ışığa duyarlığına bağlı olarak kullanılır.

PIR Sensörlerin Uygulamaları

Pasif kızılötesi sensörlerin uygulamaları oldukça geniştir.

Termopil tip pasif kızılötesi sensörler otomobil iklim kontrolü, doluluk algılama, proses sıcaklık izleme, ev aletleri, gaz analizi, alev ve patlama tespiti dahil tehlike kontrolü gibi temassız sıcaklık ölçümlerinde kullanılır.

Pyroelektrik tabanlı PIR sensörleri; giriş, bodrum, tuvalet, koridor gibi çeşitli yerlerde hareket algılama, otomatik ışık kontrolü, ev güvenliği gibi alanlarda oldukça yaygındır.

Yüksek performanslı görüntüleme uygulamaları için kuantum kızılötesi dedektör türleri kullanılmaktadır.

Yazar:Esra Sarıbıyık

Kaynak:

►engineersgarage.com